ACSS1通过乙酰辅酶A代谢驱动DNA修复并削弱乳腺癌放疗疗效的机制研究

《Cell Death & Disease》：ACSS1 co-opts acetyl-CoA metabolism to drive DNA repair and undermine radiotherapy efficacy in breast cancer

本研究针对乳腺癌放疗抵抗这一临床难题，发现线粒体乙酰辅酶A合成酶ACSS1通过调控乙酰辅酶A代谢促进同源重组修复的新机制。研究人员通过整合TCGA/GEO数据库分析和定量蛋白质组学，证实ACSS1在放疗抵抗型乳腺癌中异常高表达，并通过代谢-表观遗传交叉对话增强组蛋白乙酰化和染色质松弛，最终导致放疗抵抗。该研究为克服乳腺癌放疗抵抗提供了新的靶向治疗策略。

　　

放疗是乳腺癌治疗的基石手段，通过诱导DNA双链断裂（DSBs）来消灭肿瘤细胞。然而，临床上面临的放疗抵抗问题严重制约了治疗效果，导致肿瘤复发和患者预后不良。尽管技术进步如立体定向放疗和质子治疗提高了治疗精度，但抵抗机制依然复杂，涉及肿瘤微环境重塑、抗氧化防御激活以及代谢适应等多个方面。其中，DNA修复能力增强尤其是同源重组（HR）修复的激活是关键因素。那么，肿瘤细胞是如何在放疗造成的基因毒性压力下，维持足够的能量和代谢底物来高效完成DNA修复的呢？这个问题成为了领域内关注的焦点。

为了回答这个问题，发表在《Cell Death & Disease》上的一项最新研究揭示了线粒体乙酰辅酶A合成酶1（ACSS1）在乳腺癌放疗抵抗中的核心作用。研究人员发现，ACSS1通过调控一种独特的代谢-表观遗传轴，增强了肿瘤细胞的DNA修复能力，从而使其能够抵抗放疗的杀伤效应。

本研究综合运用了生物信息学分析（TCGA和GEO数据库）、定量蛋白质组学（TMT标记的LC-MS/MS）、体外细胞模型（包括构建放疗抵抗的HeLa和MDA-MB-231细胞系、基因过表达/敲低模型）、DNA损伤与修复分析技术（免疫荧光检测γH2AX/BRCA1/53BP1 foci、彗星实验、染色质免疫沉淀ChIP、HR/NHEJ报告基因系统）、代谢物检测（丙酮酸、活性氧ROS、乙酸、乙酰辅酶A、ATP含量的测定）、表观遗传学分析（组蛋白乙酰化修饰Western blot、MNase敏感性实验）以及体内动物模型（乳腺癌异种移植瘤）等多种关键技术方法。

ACSS1被鉴定为乳腺癌放疗抵抗的候选介质

通过对癌症基因组图谱（TCGA）数据的分析，研究人员发现放疗对乳腺癌患者的生存获益存在分子亚型特异性。基底样和管腔A型患者从放疗中获益显著，而管腔B型和HER2富集型患者则获益不明显，提示后者可能存在内在的放疗抵抗。通过差异表达基因分析，并结合基因表达综合数据库（GEO）的验证，研究团队筛选出189个在放疗抵抗亚型中一致性上调的基因，通路富集分析表明碳代谢、氨基酸生物合成以及糖酵解/糖异生等代谢过程是放疗抵抗的关键贡献者。为了寻找具体的分子标记，研究人员通过分次X射线照射构建了放疗抵抗的HeLa细胞（HeLa-R）和乳腺癌MDA-MB-231细胞（MDA-MB-231-R）模型。蛋白质组学分析揭示了大量差异表达蛋白，其中ACSS1在抵抗细胞中表达显著上调，且其敲低能够逆转细胞的放疗抵抗表型。临床数据分析进一步证实，ACSS1在乳腺癌中高表达，且高表达ACSS1的患者群体未能从放疗中获得生存获益。

ACSS1促进乳腺癌细胞的放疗抵抗

为了确认ACSS1的功能，研究团队进行了双向遗传学操作。在ACSS1低表达的MDA-MB-231细胞中过表达ACSS1，能够增强其克隆形成能力、细胞活力以及抑制放疗诱导的细胞凋亡。相反，在ACSS1高表达的BT474细胞中敲低ACSS1，则显著削弱了细胞的存活和增殖，并促进了细胞凋亡。这些结果明确表明ACSS1是决定乳腺癌细胞放疗敏感性的关键因子。

ACSS1促进基因毒性应激下的基因组稳定性维持

放疗通过引起DNA损伤发挥作用，而癌细胞则通过高效的修复机制来逃避死亡。研究人员发现，过表达ACSS1的细胞在放疗后显示出更强的DNA损伤信号（γH2AX foci增多），并且能更快地修复DNA损伤（彗星实验尾长缩短）。细胞周期分析显示，ACSS1过表达使细胞在DNA损伤后更易停滞在S期，这为修复机制提供了时间窗口。这些数据表明ACSS1通过增强DNA损伤应答和修复来维持基因组稳定性。

ACSS1协调乙酰辅酶A动态以支持基因毒性应激下的组蛋白乙酰化

整合分析提示代谢重编程是放疗抵抗的标志。有趣的是，研究发现放疗能触发一个由丙酮酸积累和ROS升高为特征的代谢级联反应，这与通过丙酮酸-ROS耦合进行^{de novo}乙酸合成的机制一致。ACSS1过表达显著减弱了放疗诱导的ROS生成，同时增强了细胞内乙酸水平和乙酰辅酶A池的恢复。ACSS1通过维持乙酰辅酶A稳态，特别是促进了核内乙酰辅酶A的积累。这种核内乙酰辅酶A的富集依赖于柠檬酸-ATP柠檬酸裂合酶（ACLY）轴。此外，ACSS1还促进了ATP的生成，为DNA修复提供能量。

ACSS1促进HR介导的DSB修复

核内乙酰辅酶A是组蛋白乙酰化的底物，而组蛋白乙酰化对于DNA损伤应答至关重要。研究表明，ACSS1过表达增强了全局组蛋白H3乙酰化（acH3）以及多个与DDR相关的位点特异性乙酰化修饰（如H3K9ac、H3K56ac、H4K16ac）。染色质免疫沉淀（ChIP）分析显示ACSS1促进了DSB位点的组蛋白H3乙酰化。MNase敏感性实验证实ACSS1增强了放疗诱导的染色质解压缩。重要的是，ACSS1介导的代谢重编程本身并不激活DDR，而是为修复创造了许可的染色质状态。当DNA损伤发生时，ACSS1过表达细胞更倾向于招募同源重组（HR）修复关键蛋白BRCA1，而非非同源末端连接（NHEJ）相关蛋白53BP1，至损伤位点，从而促进高保真的HR修复。

ACSS1在体内赋予乳腺癌细胞放疗抵抗

为了验证ACSS1的临床意义，研究人员构建了乳腺癌异种移植瘤模型。结果显示，过表达ACSS1的肿瘤在接受放疗后生长更快、重量更大，表现出放疗抵抗。这些肿瘤表现出更高的增殖指数（Ki67染色增强）、组蛋白H3乙酰化水平升高、总乙酰辅酶A和核内乙酰辅酶A池扩大，以及凋亡细胞（TUNEL阳性）减少。这些体内实验数据有力地支持了ACSS1在乳腺癌放疗抵抗中的关键作用。

研究结论与意义

该研究最终得出结论：线粒体ACSS1是乳腺癌放疗抵抗的核心调控因子，它通过协调一个代谢-表观遗传轴来增强HR介导的DNA修复。具体而言，放疗诱导的线粒体应激（丙酮酸-ROS耦合）促进了^{de novo}乙酸合成，ACSS1则利用这些乙酸生成乙酰辅酶A，并通过柠檬酸-ACLY轴将乙酰辅酶A前体运送到细胞核，从而驱动损伤位点的组蛋白乙酰化和染色质松弛，进而优先招募BRCA1并促进高效的HR修复。

这项研究的重大意义在于：首先，它揭示了ACSS1是连接放疗引起的代谢应激与表观遗传重塑、进而影响DNA修复效率的关键分子桥梁，挑战了乙酰辅酶A代谢严格区室化的传统观点。其次，研究明确了ACSS1的功能不同于其主要在缺氧条件下支持脂质合成的同工酶ACSS2，显示了其在基因毒性应激下的非冗余和区室特异性作用。最后，该研究为克服乳腺癌放疗抵抗提供了新的靶点。针对ACSS1的抑制剂，或联合使用醋酸消耗疗法、组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂，以及利用¹¹C-乙酸PET成像进行患者分层，可能成为未来精准放疗的新策略。总之，这项工作将肿瘤代谢与放射生物学联系起来，提出了通过靶向支持基因组适应的代谢基础设施来克服放疗抵抗的新范式，具有重要的理论价值和临床转化前景。